Общие теоремы динамики теоретическая механика методичка. Общие теоремы динамики

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Кубанский государственный технологический университет»

Теоретическая механика

Часть 2 динамика

Утверждено Редакционно-издательским

советом университета в качестве

учебного пособия

Краснодар

УДК 531.1/3 (075)

Теоретическая механика. Часть 2. Динамика: Учебное пособие / Л.И.Драйко; Кубан. гос. технол.ун-т. Краснодар, 2011. 123 с.

ISBN 5-230-06865-5

Излагается в краткой форме теоретический материал, даны примеры решения задач, большинство из которых отражает реальные вопросы техники, уделено внимание выбору рационального способа решения.

Предназначено для бакалавров заочной и дистанционной форм обучения строительных, транспортных и машиностроительных направлений.

Табл. 1 Илл. 68 Библиогр. 20 назв.

Научный редактор канд.техн.наук,доц. В.Ф.Мельников

Рецензенты: зав.кафедрой теоретической механики и теории механизмов и машин Кубанского аграрного университета проф. Ф.М. Канарев; доцент кафедры теоретической механики Кубанского государственного технологического университета М.Е. Мултых

Печатается по решению Редакционно-издательского совета Кубанского государственного технологического университета.

Переиздание

ISBN 5-230-06865-5 КубГТУ 1998г.

Предисловие

Данное учебное пособие предназначено для студентов заочной формы обучения строительных, транспортных и машиностроительных специальностей, но может быть использовано при изучении раздела «Динамика» курса теоретической механики студентами заочниками других специальностей, а также студентами дневной формы обучения при самостоятельной работе.

Пособие составлено в соответствии с действующей программой курса теоретической механики, охватывает все вопросы основной части курса. Каждый раздел содержит краткий теоретический материал, снабженный иллюстрациями и методическими рекомендациями для его использования при решении задач. В пособии разобрано решение 30 задач, отражающих реальные вопросы техники и соответствующих контрольным заданиям для самостоятельного решения. Для каждой задачи представлена расчетная схема, наглядно иллюстрирующая решение. Оформление решения соответствует требованиям, предъявляемым к оформлению контрольных работ студентов-заочников.

Автор выражает глубокую признательность преподавателям кафедры теоретической механики и теории механизмов и машин Кубанского аграрного университета за большой труд по рецензированию учебного пособия, а также преподавателям кафедры теоретической механики Кубанского государственного технологического университета за ценные замечания и советы по подготовке учебного пособия к изданию.

Все критические замечания и пожелания будут приняты автором с благодарностью и в дальнейшем.

Введение

Динамика является наиболее важным разделом теоретической механики. Большинство конкретных задач, которые приходится в инженерной практике, относится к динамике. Используя выводы статики и кинематики, динамика устанавливает общие законы движения материальных тел под действием приложенных сил.

Простейшим материальным объектом является материальная точка. За материальную точку можно принять материальное тело любой формы, размерами которого в рассматриваемой задаче можно пренебречь. За материальную точку можно принимать тело конечных размеров, если различие в движении его точек для данной задачи не существенно. Это бывает в случае, когда размеры тела малы по сравнению с расстояниями, которые проходят точки тела. Каждую частицу твердого тела можно считать материальной точкой.

Силы, приложенные к точке или материальному телу, в динамике оцениваются по их динамическому воздействию, т. е. по тому, как они изменяют характеристики движения материальных объектов.

Движение материальных объектов с течением времени совершается в пространстве относительно определенной системы отсчета. В классической механике, опирающейся на аксиомы Ньютона, пространство считается трехмерным, его свойства не зависят от движущихся в нем материальных объектов. Положение точки в таком пространстве определяется тремя координатами. Время не связано с пространством и движением материальных объектов. Оно считается одинаковым для всех систем отсчета.

Законы динамики описывают движение материальных объектов по отношению к абсолютным осям координат, условно принятым за неподвижные. Начало абсолютной системы координат принимается в центре Солнца, а оси направляются на отдаленные, условно не подвижные звезды. При решении многих технических задач условно не подвижными можно считать координатные оси, связанные с Землей.

Параметры механического движения материальных объектов в динамике устанавливаются путем математических выводов из основных законов классической механики.

Первый закон (закон инерции):

Материальная точка сохраняет состояние покоя или равномерного и прямолинейного движения до тех пор, пока действие каких-либо сил не выведет ее из этого состояния.

Равномерное и прямолинейное движение точки называют движением по инерции. Покой является частным случаем движения по инерции, когда скорость точки равна нулю.

Всякая материальная точка обладает инертностью, т. е. стремится сохранить состояние покоя или равномерного прямолинейного движения. Система отсчета, по отношению к которой выполняется закон инерции, называется инерциальной, а движение, наблюдаемое по отношению к этой системе, называется абсолютным. Любая система отсчета, совершающая относительно инерциальной системы поступательное прямолинейное и равномерное движение, будет также инерциальной системой.

Второй закон (основной закон динамики):

Ускорение материальной точки относительно инерциальной системы отсчета пропорционально приложенной к точке силе и совпадает с силой по направлению:
.

Из основного закона динамики следует, что при силе
ускорение
. Масса точки характеризует степень сопротивляемости точки изменению ее скорости, т. е. является мерой инертности материальной точки.

Третий закон (закон действия и противодействия):

Силы, с которыми два тела действуют друг на друга, равны по модулю и направлены вдоль одной прямой в противоположные стороны.

Силы, именуемые действием и противодействием, приложены к разным телам и поэтому уравновешенной системы не образуют.

Четвертый закон (закон независимости действия сил):

При одновременном действии нескольких сил ускорение материальной точки равно геометрической сумме ускорений, которые имела бы точка при действии каждой силы в отдельности:

, где
,
,…,
.

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА И ПРОДОВОЛЬСТВИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

Учреждение образования «БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра теоретической механики и теории механизмов и машин

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА

методического комплекса для студентов группы специальностей

74 06 Агроинженери я

В 2-х частях Часть 1

УДК 531.3(07) ББК 22.213я7 Т 33

Составители:

кандидат физико-математических наук, доцентЮ. С. Биза , кандидат технических наук, доцентН. Л. Ракова , старший преподавательИ. А. Тарасевич

Рецензенты:

кафедра теоретической механики Учреждения образования «Белорусский национальный технический университет» (заведующий

кафедрой теоретической механики БНТУ доктор физико-математических наук, профессорА. В. Чигарев );

ведущий научный сотрудник лаборатории «Виброзащита механических систем» ГНУ «Объединенный институт машиностроения

НАН Беларуси», кандидат технических наук, доцент А. М. Гоман

Теоретическая механика. Раздел «Динамика» : учебно-

Т33 метод. комплекс. В 2-х ч. Ч. 1 / сост.: Ю. С. Биза, Н. Л. Ракова, И. А. Тарасевич. – Минск: БГАТУ, 2013. – 120 с.

ISBN 978-985-519-616-8.

В учебно-методическом комплексе представлены материалы по изучению раздела «Динамика», часть 1, входящего в состав дисциплины «Теоретическая механика». Включает курс лекций, основные материалы по выполнению практических занятий, задания и образцы выполнения заданий для самостоятельной работы и контроля учебной деятельности студентов очной и заочной форм обучения.

УДК 531.3(07) ББК 22.213я7


ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................
1. НАУЧНО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНО-
МЕТОДИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА..................................................
1.1. Глоссарий.................................................................................
1.2. Темы лекций и их содержание...............................................
Глава 1. Введение в динамику. Основные понятия
классической механики....................................................................
Тема 1. Динамика материальной точки...........................................
1.1. Законы динамики материальной точки
(законы Галилея – Ньютона) ......................................................
1.2. Дифференциальные уравнения движения

1.3. Две основные задачи динамики..........................................


Тема 2. Динамика относительного движения
материальной точки..........................................................................
Вопросы для повторения............................................................
Тема 3. Динамика механической системы.....................................
3.1. Геометрия масс. Центр масс механической системы......
3.2. Внутренние силы..................................................................
Вопросы для повторения............................................................
Тема 4. Моменты инерции твердого тела.......................................
4.1. Моменты инерции твердого тела
относительно оси и полюса...................................................
4.2. Теорема о моментах инерции твердого тела
относительно параллельных осей
(теорема Гюйгенса – Штейнера) ................................................
4.3. Центробежные моменты инерции.......................................
Вопросы для повторения...........................................................
Глава 2. Общие теоремы динамики материальной точки

Тема 5. Теорема о движении центра масс системы.......................
Вопросы для повторения............................................................
Задачи для самостоятельного изучения....................................
Тема 6. Количество движения материальной точки
и механической системы..................................................................
6.1. Количество движения материальной точки 43
6.2. Импульс силы.......................................................................
6.3. Теорема об изменении количества движения
материальной точки....................................................................
6.4. Теорема об изменении главного вектора
количества движения механической системы..........................
Вопросы для повторения............................................................
Задачи для самостоятельного изучения....................................
Тема 7. Момент количества движения материальной точки
и механической системы относительно центра и оси..................
7.1. Момент количества движения материальной точки
относительно центра и оси.........................................................
7.2. Теорема об изменении момента количества движения
материальной точки относительно центра и оси......................
7.3. Теорема об изменении кинетического момента
механической системы относительно центра и оси.................
Вопросы для повторения............................................................
Задачи для самостоятельного изучения....................................
Тема 8. Работа и мощность сил.......................................................
Вопросы для повторения............................................................
Задачи для самостоятельного изучения....................................
Тема 9. Кинетическая энергия материальной точки
и механической системы..................................................................
9.1. Кинетическая энергия материальной точки
и механической системы. Теорема Кенига...............................
9.2. Кинетическая энергия твердого тела
при различном движении............................................................
9.3. Теорема об изменении кинетической энергии
материальной точки....................................................................

9.4. Теорема об изменении кинетической энергии
механической системы................................................................
Вопросы для повторения............................................................
Задачи для самостоятельного изучения....................................
Тема 10. Потенциальное силовое поле
и потенциальная энергия.................................................................
Вопросы для повторения............................................................
Тема 11. Динамика твердого тела...................................................
Вопросы для повторения............................................................
2. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ КОНТРОЛЯ
ПО МОДУЛЮ...................................................................................

САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ.........................
4. ТРЕБОВАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮ КОНТРОЛЬНЫХ
РАБОТ ДЛЯ CТУДЕНТОВ ОЧНОЙ И ЗАОЧНОЙ
ФОРМ ОБУЧЕНИЯ........................................................................
5. ПЕРЕЧЕНЬ ВОПРОСОВ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ
К ЭКЗАМЕНУ (ЗАЧЕТУ) СТУДЕНТОВ
ОЧНОЙ И ЗАОЧНОЙ ФОРМ ОБУЧЕНИЯ.................................
6. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..........................................................

ВВЕДЕНИЕ

Теоретическая механика – наука об общих законах механического движения, равновесия и взаимодействия материальных тел.

Это одна из фундаментальных общенаучных физико-математи- ческих дисциплин. Она является теоретической основой современной техники.

Изучение теоретической механики, наряду с другими физикоматематическими дисциплинами, способствует расширению научного кругозора, формирует способности к конкретному и абстрактному мышлению и способствует повышению общей технической культуры будущего специалиста.

Теоретическая механика, являясь научной базой всех технических дисциплин, способствует развитию навыков рациональных решений инженерных задач, связанных с эксплуатацией, ремонтом и конструированием сельскохозяйственных и мелиоративных машин и оборудования.

По характеру рассматриваемых задач механику разделяют на статику, кинематику и динамику. Динамика – раздел теоретической механики, в котором изучается движение материальных тел под действием приложенных сил.

В учебно-методическом комплексе (УМК) представлены материалы по изучению раздела «Динамика», который включает курс лекций, основные материалы для проведения практических работ, задания и образцы выполнения для самостоятельных работ и контроля учебной деятельности студентов очнойи заочной форм обучения.

В результате изучения раздела «Динамика» студент должен усвоить теоретические основы динамики и овладеть основными методами решения задач динамики:

Знать методы решения задач динамики, общие теоремы динамики, принципы механики;

Уметь определять законы движения тела в зависимости от действующих на него сил; применять законы и теоремы механики для решения задач; определять статические и динамические реакции связей, ограничивающих движение тел.

Учебной программой дисциплины «Теоретическая механика» предусмотрено общее количество аудиторных часов – 136, в т. ч. на изучение раздела «Динамика» – 36 часов.

1. НАУЧНО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА

1.1. Глоссарий

Статика – раздел механики, в котором излагается общее учение о силах, изучается приведение сложных систем сил к простейшему виду и устанавливаются условия равновесия различных систем сил.

Кинематика – это раздел теоретической механики, в котором изучают движение материальных объектов вне зависимости от причин, вызывающих это движение, т. е. вне зависимости от сил, действующих на эти объекты.

Динамика – раздел теоретической механики, в котором изучается движение материальных тел (точек) под действием приложенных сил.

Материальная точка – материальное тело, различие в движении точек которого является несущественным.

Масса тела – это скалярная положительная величина, зависящая от количества вещества, содержащегося в данном теле, и определяющая его меру инертности при поступательном движении.

Система отсчета – система координат, связанная с телом, по отношению к которому изучается движение другого тела.

Инерциальная система – система, в которой выполняются первый и второй законы динамики.

Импульс силы – векторная мера действия силы в течение некоторого времени.

Количество движения материальной точки – векторная мера ее движения, равная произведению массы точки на вектор ее скорости.

Кинетическаяэнергия – скалярная мерамеханического движения.

Элементарная работа силы – это бесконечно малая скалярная величина, равная скалярному произведению вектора силы на вектор бесконечного малого перемещения точки приложения силы.

Кинетическая энергия – скалярная мера механического движения.

Кинетическая энергия материальной точки – скалярная по-

ложительная величина, равная половине произведения массы точки на квадрат ее скорости.

Кинетическая энергия механической системы – арифме-

тическая сумма кинетических энергий всех материальных точек этой системы.

Сила – мера механического взаимодействия тел, характеризующая его интенсивность и направленность.

1.2. Темы лекций и их содержание

Раздел 1. Введение в динамику. Основные понятия

классической механики

Тема 1. Динамика материальной точки

Законы динамики материальной точки (законы Галилея – Ньютона). Дифференциальные уравнения движения материальной точки. Две основные задачи динамики для материальной точки. Решение второй задачи динамики; постоянные интегрирования и их определение по начальным условиям.

Литература:, стр. 180-196, , стр. 12-26.

Тема 2. Динамика относительного движения материальной

Относительное движение материальной точки. Дифференциальные уравнения относительного движения точки; переносная и кориолисова силы инерции. Принцип относительности в классической механике. Случай относительного покоя.

Литература: , стр. 180-196, , стр. 127-155.

Тема 3. Геометрия масс. Центр масс механической системы

Масса системы. Центр масс системы и его координаты.

Литература: , стр. 86-93, стр. 264-265

Тема 4. Моменты инерции твердого тела

Моменты инерции твердого тела относительно оси и полюса. Радиус инерции. Теорема о моментах инерции относительно параллельных осей. Осевые моменты инерции некоторых тел.

Центробежные моменты инерции как характеристика асимметрии тела.

Литература: , стр. 265-271, , стр. 155-173.

Раздел 2. Общие теоремы динамики материальной точки

и механической системы

Тема 5. Теорема о движении центра масс системы

Теорема о движении центра масс системы. Следствия из теоремы о движении центра масс системы.

Литература: , стр. 274-277, , стр. 175-192.

Тема 6. Количество движения материальной точки

и механической системы

Количество движения материальной точки и механической системы. Элементарный импульс и импульс силы за конечный промежуток времени. Теорема об изменении количества движения точки и системы в дифференциальной и интегральной формах. Закон сохранения количества движения.

Литература: , стр.280-284, , стр. 192-207.

Тема 7. Момент количества движения материальной точки

и механической системы относительно центра и оси

Момент количества движения точки относительно центра и оси. Теорема об изменении момента количества движения точки. Кинетический момент механической системы относительно центра и оси.

Кинетический момент вращающегося твердого тела относительно оси вращения. Теорема об изменении кинетического момента системы. Закон сохранения кинетического момента.

Литература: , стр. 292-298, , стр. 207-258.

Тема 8. Работа и мощность сил

Элементарная работа силы, ее аналитическое выражение. Работа силы на конечном пути. Работа силы тяжести, силы упругости. Равенство нулю суммы работ внутренних сил, действующих в твердом теле. Работа сил, приложенных к твердому телу, вращающемуся вокруг неподвижной оси. Мощность. Коэффициент полезного действия.

Литература: , стр. 208-213, , стр. 280-290.

Тема 9. Кинетическая энергия материальной точки

и механической системы

Кинетическая энергия материальной точки и механической системы. Вычисление кинетической энергии твердого тела в различных случаях его движения. Теорема Кенига. Теорема об изменении кинетической энергии точки в дифференциальной и интегральной формах. Теорема об изменении кинетической энергии механической системы в дифференциальной и интегральной формах.

Литература: , стр. 301-310, , стр. 290-344.

Тема 10. Потенциальное силовое поле и потенциальная

Понятие о силовом поле. Потенциальное силовое поле и силовая функция. Работа силы на конечном перемещении точки в потенциальном силовом поле. Потенциальная энергия.

Литература: , стр. 317-320, , стр. 344-347.

Тема 11. Динамика твердого тела

Дифференциальные уравнения поступательного движения твердого тела. Дифференциальное уравнение вращательного движения твердого тела вокруг неподвижной оси. Физический маятник. Дифференциальные уравнения плоского движения твердого тела.

Литература: , стр. 323-334, , стр. 157-173.

Раздел 1. В ведение в динамику. Основные понятия

классической механики

Материальноетело – тело, имеющеемассу.

Материальная точка – материальное тело, различие в движении точек которого является несущественным. Это может быть как тело, размерами которого при его движении можно пренебречь, так и тело конечных размеров, если оно движется поступательно.

Материальными точками называют также частицы, на которые мысленно разбивается твердое тело при определении некоторых его динамических характеристик. Примеры материальных точек (рис. 1):а – движение Земли вокруг Солнца. Земля – материальная точка;б – поступательное движение твердого тела. Твердое тело – матери-

альная точка, т. к. V B = V A ; a B = a A ; в – вращение тела вокруг оси.

Частица тела – материальная точка.

Инертность – свойство материальных тел быстрее или медленнее изменять скорость своего движения под действием приложенных сил.

Сила – количественная мера механического взаимодействия между телами или между телом (точкой) и полем (электрическим, магнитным и т. д.).

Сила – векторная величина, характеризующаяся величиной, точкой приложения и направлением (линией действия) (рис. 2: А – точка приложения;АВ – линия действия силы).

Рис. 2

В динамике наряду с постоянными силами имеют место и переменные силы, которые могут зависеть от времени t , скоростиϑ , расстоянияr или от совокупности этих величин, т. е.

F = const;

F = F(t) ;

F = F(ϑ ) ;

F = F(r) ;

F = F(t, r, ϑ ) .


Примеры таких сил приведены на рис. 3: a −			– вес тела;
	(ϑ) – сила сопротивления воздуха;б −	Т =	– сила тяги

электровоза; в − F = F (r ) – сила отталкивания от центраO или притяженияк нему.

Инерциальная с истема – система, в которой выполняются первый и второй законы динамики. Это неподвижная система координат либо система, движущаяся равномерно ипрямолинейнопоступательно.

Движение в механике – это изменение положения тела в пространстве и во времени по отношению к другим телам.

Пространство в классической механике трехмерное, подчиняющееся эвклидовой геометрии.

Время – скалярная величина, одинаково протекающая в любых системахотсчета.

Система единиц – это совокупность единиц измерения физических величин. Для измерения всех механических величин достаточно трех основных единиц: единицы длины, времени, массы или силы.




Механическая	Размерность	Обозначения	Размерность	Обозначения
величина
			сантиметр



	килограмм-

Все остальные единицы измерения механических величин – производные от этих. Применяются два типа систем единиц: международная система единиц СИ (или более мелкая – СГС) и техническаясистемаединиц– МКГСС.

Тема1. Динамикаматериальнойточки

1.1. Законы динамики материальной точки (законы Галилея – Ньютона)

Первыйзакон (законинерции).

Изолированная от внешних воздействий материальная точка сохраняет свое состояние покоя или движется равномерно и прямолинейно до тех пор, пока приложенные силы не заставят ее изменить это состояние.

Движение, совершаемое точкой при отсутствии сил или под действием уравновешенной системы сил, называется движением по инерции.

Например , движение тела по гладкой (сила трения равна нулю) го-

ризонтальной поверхности (рис. 4: G – вес тела;N - нормальная реакция плоскости).

Так как G = − N , тоG + N = 0.

При ϑ 0 ≠ 0 тело движется с той же скоростью; приϑ 0 = 0 тело покоится (ϑ 0 – начальная скорость).

Второй закон (основной закон динамики).

Произведение массы точки на ускорение, которое она получает под действием данной силы, равно по модулю этой силе, а ее направление совпадает с направлением ускорения.

а б

Математически этот закон выражается векторным равенством

При F = const,

a = const – движение точки равнопеременное. Ес-

ли a ≠ const, α

– движение замедленное (рис. 5, а );

a ≠ const,

a –

– движение ускоренное (рис. 5, б );m – масса точки;

вектор ускорения;

– векторсилы; ϑ 0 – вектор скорости).

При F = 0,a 0 = 0 = ϑ 0 = const – точка движется равномерно и прямолинейно либо приϑ 0 = 0 – покоится (закон инерции). Второй

закон позволяет установить связь между массой m тела, находящегося вблизи земной поверхности, и его весомG .G = mg , гдеg –

ускорение свободного падения.

Третий закон (закон равенства действия и противодействия). Две материальные точки действуют друг на друга с силами, равными по величине и направленными вдоль прямой, соединяющей

эти точки, в противополо жные стороны.

Так ка к силыF 1 = − F 2 приложены к разным точкам, то система сил(F 1 , F 2 ) не является уравновешенной, т. е.(F 1 , F 2 )≈ 0 (рис. 6).

В свою очередь

m a = m a

– отношение

масс взаимодействующих точек обратно пропорционально их ускорениям.

Четвертый закон (закон независимости действия сил). Ускорение, получаемое точкой при действии на нее одновремен-

но нескольких сил, равно геометрической сумме тех ускорений, которые получила бы точка при действии на нее каждой силы в отдельности.

Пояснение(рис. 7).

т а n

а 1 а кF n

Равнодействующая R сил(F 1 ,...F k ,...F n ) .

Так как ma = R ,F 1 = ma 1 , ...,F k = ma k , ...,F n = ma n , то

a = a 1 + ...+ a k + ...+ a n = ∑ a k , т. е. четвертый закон эквивалентен

k = 1

правилу сложения сил.

1.2. Дифференциальные уравнения движения материальной точки

Пусть на материальную точку действуют одновременно несколько сил, среди которых есть как постоянные, так и переменные.

Запишем второй закон динамики в виде

= ∑

(t ,

k = 1

, ϑ=

r – радиус-вектор движущейся

точки, то (1.2) содержит производные от r и представляет собой дифференциальное уравнение движения материальной точки в векторной форме или основное уравнение динамики материальной точки.

Проекции векторного равенства (1.2): - наосидекартовыхкоординат(рис. 8, а )

max = md
max = md	= ∑ F kx;
	k = 1
may = md
may = md	= ∑ F ky;	(1.3)
	k = 1

maz = m	= ∑ F kz;
maz = m	= ∑ F kz;
	k = 1

Наестественнойоси(рис. 8, б )


maτ				= ∑ F k τ ,
maτ				= ∑ F k τ ,
				k = 1

				= ∑ F k n ;
				k = 1

mab = m0 = ∑ Fk b

k = 1

M t oM oa

b on o

Уравнения (1.3) и (1.4) являются дифференциальными уравнениями движения материальной точки соответственно в декартовых осях координат и естественных осях, т. е. естественными дифференциальными уравнениями, которые обычно применяются при криволинейном движении точки, если траектория точки и ее радиус кривизны известны.

1.3. Две основные задачи динамики для материальной точки и их решение

Первая(прямая) задача.

Зная закон движения и массу точки, определить силу, действующуюнаточку.

Для решения этой задачи необходимо знать ускорение точки. В задачах этого типа оно может быть задано непосредственно либо задан закон движения точки, в соответствии с которым оно может бытьопределено.

1. Так, если движение точки задано в декартовых координатах

x = f 1 (t ) , y = f 2 (t ) иz = f 3 (t ) , то определяются проекции ускоре-

ния на оси координатx =

d 2 x

d 2 y

d 2 z

А затем – проек-

ции F x ,F y иF z силы на эти оси:

,k ) = F F z . (1.6)

2. Если точка совершает криволинейное движение и известен закон движения s = f (t ) , траектория точки и ее радиус кривизны ρ, то

удобно пользоваться естественными осями, а проекции ускорения на эти оси определяются по известным формулам:

Накасательнуюось

a τ = d ϑ = d 2 2 s – касательное ускорение;dt dt

Наглавнуюнормаль

ds 2

a n = ϑ 2 = dt – нормальное ускорение.

Проекция ускорения на бинормаль равна нулю. Тогда проекции силынаестественныеоси

F = m			F = m

Модульинаправлениесилыопределяютсяпоформулам:

F =F τ 2 +F n 2 ; cos (

; cos(

Вторая(обратная) задача.

Зная действующие на точку силы, ее массу и начальные условия движения, определить закон движения точки или какие-либо другие ее кинематические характеристики.

Начальные условия движения точки в декартовых осях – это координаты точки x 0 , y 0 , z 0 и проекции начальной скоростиϑ 0 на эти

оси ϑ 0 x = x 0 , ϑ 0 y = y 0 иϑ 0 z = z 0 в момент времени, соответствую-

щий началу движения точки и принимаемый равным нулю. Решение задач этого типа сводится к составлению диффе-

ренциальных уравнений (или одного уравнения) движения материальной точки и их последующему решению путем непосредственного интегрирования или с использованием теории дифференциальных уравнений.

Вопросы на повторение

1. Что изучает динамика?

2. Какое движение называется движением по инерции?

3. При каком условии материальная точка будет покоиться или двигаться равномерно и прямолинейно?

4. В чем суть первой основной задачи динамики материальной точки? Второй задачи?

5. Запишите естественные дифференциальные уравнения движения материальной точки.

Задачи для самостоятельного изучения

1. Точка массой m = 4 кг движется по горизонтальной прямой с ускорениемa = 0,3 t . Определить модуль силы, действующей на точку в направлении ее движения в момент времениt = 3 c .

2. Деталь массой m = 0,5 кг скользит вниз по лотку. Под каким углом к горизонтальной плоскости должен располагаться лоток, чтобы деталь двигалась с ускорениемa = 2 м/с 2 ? Угол выразить

в градусах.

3. Точка массойm = 14 кг движется по осиОх c ускорениемa х = 2 t . Определить модуль силы, действующей на точку в направлении движения в момент времениt = 5 c .

(МЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ) – IV вариант

1. Основное уравнение динамики материальной точки, как известно, выражено уравнением . Дифференциальные уравнения движения произвольных точек несвободной механической системы согласно двух способов деления сил можно записать в двух формах:

(1) , где k=1, 2, 3, … , n – количество точек материальной системы.

(2)

где - масса k-той точки; - радиус вектор k-той точки, - заданная (активная) сила, действующая на k-тую точку или равнодействующая всех активных сил, действующих на k-тую точку. - равнодействующая сил реакций связей, действующая на k-тую точку; - равнодействующая внутренних сил, действующая на k-тую точку; - равнодействующая внешних сил, действующая на k-тую точку.

При помощи уравнений (1) и (2) можно стремиться решать как первую, так и вторую задачи динамики. Однако решение второй задачи динамики для системы очень усложняется не только с математической точки зрения, но и потому, что мы сталкиваемся с принципиальными трудностями. Они заключаются в том, что как для системы (1), так и для системы (2) число уравнений значительно меньше числа неизвестных.

Так, если использовать (1), то известными для второй (обратной) задачи динамики будут и , а неизвестными будут и . Векторных уравнений будет «n », а неизвестных - «2n».

Если же исходить из системы уравнений (2), то известные и часть внешних сил . Почему часть? Дело в том, что в число внешних сил входят и внешние реакции связей, которые неизвестны. К тому же неизвестными будут ещё и .

Таким образом, как система (1), так и система (2) НЕЗАМКНУТА. Нужно добавлять уравнения, учитывая уравнения связей и возможно ещё нужно накладывать некоторые ограничения на сами связи. Что делать?

Если исходить из (1), то можно пойти по пути составления уравнений Лагранжа первого рода. Но такой путь не рационален потому, что чем проще задача (меньше степеней свободы), тем труднее с точки зрения математики ее решать.

Тогда обратим внимание на систему (2), где - всегда неизвестны. Первый шаг при решении системы – это нужно исключить эти неизвестные. Следует иметь в виду, что нас, как правило, не интересуют внутренние силы при движении системы, то есть при движении системы не нужно знать, как движется каждая точка системы, а достаточно знать как движется система в целом.

Таким образом, если различными способами исключить из системы (2) неизвестные силы , то получаем некоторые соотношения, т. е. появляются некоторые общие характеристики для системы, знание которых позволяют судить о том, как движется система в общем. Эти характеристики вводятся при помощи так называемых общих теорем динамики. Таких теорем четыре:

1. Теорема о движении центра масс механической системы ;

2. Теорема об изменении количества движения механической системы ;

3. Теорема об изменении кинетического момента механической системы ;

4. Теорема об изменении кинетической энергии механической системы .

Теорема о движении центра масс. Дифференциальные уравнения движения механической системы. Теорема о движении центра масс механической системы. Закон сохранения движения центра масс.

Теорема об изменении количества движения. Количество движения материальной точки. Элементарный импульс силы. Импульс силы за конечный промежуток времени и его проекции на координатные оси. Теорема об изменении количества движения материальной точки в дифференциальной и конечной формах.

Количество движения механической системы; его выражение через массу системы и скорость ее центра масс. Теорема об изменении количества движения механической системы в дифференциальной и конечной формах. Закон сохранения количества движения механической

(Понятие о теле и точке переменной массы. Уравнение Мещерского. Формула Циолковского.)

Теорема об изменении момента количества движения. Момент количества движения материальной точки относительно центра и относительно оси. Теорема об изменении момента количества движения материальной точки. Центральная сила. Сохранение момента количества движения материальной точки в случае центральной силы. (Понятие о секторной скорости. Закон площадей.)

Главный момент количеств движения или кинетический момент механической системы относительно центра и относительно оси. Кинетический момент вращающегося твердого тела относительно оси вращения. Теорема об изменении кинетического момента механической системы. Закон сохранения кинетического момента механической системы. (Теорема об изменении кинетического момента механической системы в относительном движении по отношению к центру масс.)

Теорема об изменении кинетической энергии. Кинетическая энергия материальной точки. Элементарная работа силы; аналитическое выражение элементарной работы. Работа силы на конечном перемещении точки ее приложения. Работа силы тяжести, силы упругости и силы тяготения. Теорема об изменении кинетической энергии материальной точки в дифференциальной и конечной формах.

Кинетическая энергия механической системы. Формулы для вычисления кинетической энергии твердого тела при поступательном движении, при вращении вокруг неподвижной оси и в общем случае движения (в частности, при плоскопараллельном движении). Теорема об изменении кинетической энергии механической системы в дифференциальной и конечной формах. Равенство нулю суммы работ внутренних сил в твердом теле. Работа и мощность сил, приложенных к твердому телу, вращающемуся вокруг неподвижной оси.

Понятие о силовом поле. Потенциальное силовое поле и силовая функция. Выражение проекций силы через силовую функцию. Поверхности равного потенциала. Работа силы на конечном перемещении точки в потенциальном силовом поле. Потенциальная энергия. Примеры потенциальных силовых полей: однородное поле тяжести и поле тяготения. Закон сохранения механической энергии.

Динамика твердого тела. Дифференциальные уравнения поступательного движения твердого тела. Дифференциальное уравнение вращения твердого тела вокруг неподвижной оси. Физический маятник. Дифференциальные уравнения плоского движения твердого тела.

Принцип Даламбера. Принцип Даламбера для материальной точки; сила инерции. Принцип Даламбера для механической системы. Приведение сил инерции точек твердого тела к центру; главный вектор и главный момент сил инерции.

(Определение динамических реакций подшипников при вращении твердого тела вокруг неподвижной оси. Случай, когда ось вращения является главной центральной осью инерции тела.)

Принцип возможных перемещений и общее уравнение динамики. Связи, налагаемые на механическую систему. Возможные (или виртуальные) перемещения материальной точки и механической системы. Число степеней свободы системы. Идеальные связи. Принцип возможных перемещений. Общее уравнение динамики.

Уравнения движения системы в обобщенных координатах (уравнения Лагранжа). Обобщенные координаты системы; обобщенные скорости. Выражение элементарной работы в обобщенных координатах. Обобщенные силы и их вычисление; случай сил, имеющих потенциал. Условия равновесия системы в обобщенных координатах. Дифференциальные уравнения движения системы в обобщенных координатах или уравнения Лагранжа 2-го рода. Уравнения Лагранжа в случае потенциальных сил; функция Лагранжа (кинетический потенциал).

Понятие об устойчивости равновесия. Малые свободные колебания механической системы с одной степенью свободы около положения устойчивого равновесия системы и их свойства.

Элементы теории удара. Явление удара. Ударная сила и ударный импульс. Действие ударной силы на материальную точку. Теорема об изменении количества движения механической системы при ударе. Прямой центральный удар тела о неподвижную поверхность; упругий и неупругий удары. Коэффициент восстановления при ударе и его опытное определение. Прямой центральный удар двух тел. Теорема Карно.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Основной

Бутенин Н. В., Лунц Я- Л., Меркин Д. Р. Курс теоретической механики. Т. 1, 2. М., 1985 и предыдущие издания.

Добронравов В. В., Никитин Н. Н. Курс теоретической механики. М., 1983.

Старжинский В. М. Теоретическая механика. М., 1980.

Тарг С. М. Краткий курс теоретической механики. М., 1986 и предыдущие издания.

Яблонский А. А., Никифорова В. М. Курс теоретической механики. Ч. 1. М., 1984 и предыдущие издания.

Яблонский А. А. Курс теоретической механики. Ч. 2. М., 1984 и предыдущие издания.

Мещерский И. В. Сборник задач по теоретической механике. М., 1986 и предыдущие издания.

Сборник задач по теоретической механике/Под ред. К. С. Колесникова. М., 1983.

Дополнительной

Бать М. И., Джанелидзе Г. Ю., Кельзон А. С. Теоретическая механика в примерах и задачах. Ч. 1, 2. М., 1984 и предыдущие издания.

Сборник задач по теоретической механике/5ражничен/со Н. А., Кан В. Л., Минцберг Б. Л. и др. М., 1987.

Новожилов И. В., Зацепин М. Ф. Типовые расчеты по теоретической механике на базе ЭВМ. М., 1986,

Сборник заданий для курсовых работ по теоретической механике /Под ред. А. А. Яблонского. М., 1985 и предыдущие издания (содержит примеры решения задач).

Рассмотрим движение некоторой системы материальных томен относительно неподвижной системы координат Когда система несвободна, то ее можно рассматривать как свободную, если отбросить наложенные на систему связи и заменить их действие соответствующими реакциями.

Разобьем все силы, приложенные к системе, на внешние и внутренние; в те и другие могут входить реакции отброшенных

связей. Через и обозначим главный вектор и главный момент внешних сил относительно точки А.

1. Теорема об изменении количества движения. Если - количество движения системы, то (см. )

т. е. справедлива теорема: производная по времени от количества движения системы равняется главному вектору всех внешних сил.

Заменяя вектор через его выражение где - масса-системы, - скорость центра масс, уравнению (4.1) можно придать другую форму:

Это равенство означает, что центр масс системы движется, как материальная точкащ масса которой равна массе системы и к которой приложена сила, геометрически равная главному вектору всех внешних сил системы. Последнее утверждение называют теоремой о движении центра масс (центра инерции) системы.

Если то из (4.1) следует, что вектор количества движения постоянен по величине и направлению. Проектируя его на оси координат, получим три скалярных первых интеграла, дифференциальных уравнений двнзкепня системы:

Эти интегралы носят назвапие интегралов количества движения. При скорость центра масс постоянна, т. е. он движется равномерно и прямолинейно.

Если проекция главного вектора внешних сил на какую-либо одну ось, например на ось равна нулю, то имеем один первый интеграл или если же равны нулю» две проекции главного вектора, то существует два интеграла количества движения.

2. Теорема об изменении кинетического момента. Пусть А - некоторая произвольная точка пространства (движущаяся или неподвижная), которая не обязательно совпадает с какой-либо определенной материальной точкой системы во все время движения. Ее скорость в неподвижной спстеме координат обозначим через Теорема об изменении кинетического момента материальной системы относительно точки А имеет вид

Если точка А неподвижна, то и равенство (4.3) принимает более простой вид:

Это равенство выражает теорему об пзмепении кинетического момента системы относительно неподвижной точки: производная по времени от кинетического момента системы, вычисленного относительно некоторой неподвижной точки, равняется главному моменту всех внешних сил относительно этой точки.

Если то согласно (4.4) вектор кинетического момента постоянен по величине и направлению. Проектируя его на оси координат, получим скалярных первых интеграла дифференциальных уравнений двпжеиия системы:

Эти интегралы посят название интегралов кинетического момента или интегралов площадей.

Если точка А совпадает с центром масс системы, то Тогда первое слагаемое в правой части равенства (4.3) обращается в нуль и теорема об изменении кинетического момента имеет ту же форму записи (4.4), что и в случае неподвижной точки А. Отметим (см. п. 4 § 3), что в рассматриваемом случае абсолютный кинетический момент системы в левой части равенства (4.4) может быть заменен равный ему кинетический момент системы в ее движении относительно центра масс.

Пусть - некоторая неизменная ось пли ось неизменного направления, проходящая через центр масс системы, а - кинетический момент системы относительно этой оси. Из (4.4) следует, что

где - момент внешних сил относительно оси . Если во все время движения то имеем первый интеграл

В работах С. А. Чаплыгина получено несколько обобщений теоремы об изменении кинетического момента, которые применены затем при решении ряда задач о качении шаров. Дальнейшие обобщения теоремы об изменении кпнетпческога момента и их приложения в задачах дннамики твердого тела содержатся в работах . Основные результаты этих работ связаны с теоремой об изменении кинетического момента относительно подвижной , постоянно проходящей через некоторую движущуюся точку А. Пусть - единичный вектор, направленный вдоль этой оси. Умножив скалярно на обе части равенства (4.3) и добавив к его обепм частям слагаемое получим

При выполнении кинематического условия

из (4.7) следует уравнение (4.5). И если во все время движения и выполняется условие (4.8), то существует первый интеграл (4.6).

Если связи системы идеальны и допускают в числе виртуальных перемещений вращения системы как твердого тела вокруг оси и, то главный момент реакций относительно оси и равен нулю , и тогда величина в правой части уравнения (4.5) представляет собой главный момент всех внешних активных сил относительно оси и. Равенство нулю этого момента и выполнимость соотношения (4.8) будут в рассматриваемом случае достаточными условиями для существования интеграла (4.6).

Если направление оси и неизменно то условие (4.8) запишется в виде

Это равенство означает, что проекции скорости центра масс и скорости точки А оси и на плоскость, перпендикулярную этой являются параллельными. В работе С. А. Чаплыгина вместо (4.9) требуется выполнение менее общего условия где X - произвольная постоянная величина.

Заметим, что условие (4.8) не зависит от выбора точки на . Действительно , пусть Р - произвольная точка на оси . Тогда

и, следовательно,

В заключение отметим геометрическую интерпретацию Резаля уравнений (4.1) и (4.4): векторы абсолютных скоростей концов векторов и равны соогвегственно главному вектору и главному моменту всех внешних сил относительно точки А.